激光全息法制备三维光子晶体的研究进展

三维光子晶体作为一种光子带隙材料,在光学器件、化学生物传感以及信息传输和存储等方面具有广泛的潜在应用价值。激光全息法制备光子晶体具有均匀性好、无缺陷、成本低廉等优点。综述了激光全息法制备三维光子晶体的理论及实验方面的研究进展,并阐述了各种方法的代表性工作以及各自的优缺点。     

飞秒激光空间选择性诱导玻璃微结构及应用

利用飞秒激光与玻璃的非线性相互作用，可以对玻璃进行空间选择性微观改性与修饰，赋予新的光功能．本文介绍飞秒激光的持点及其对玻璃微结构的改性，以及近年来利用飞秒激光进行玻璃的缺陷控制、光活性离子(稀土、过渡和重金属离子)价态操作、微晶析出与折射率调控及其在光开关、波分复用、波导型有源器件、光子晶体等微光学器件的制备及光学集成领域应用的进展．     

秒激光双光子微纳加工技术及其在光子学微器件制备中的应用

飞秒激光可以与包括玻璃、陶瓷、半导体、金属、塑料、树脂等各类物质产生相互作用,其相互作用原理不同,加工方法也不同。利用非线性光学效应——双光子吸收的飞秒微纳加工技术是最独特也是最具有应用前景的微纳加工技术。利用显微物镜将飞秒激光聚焦到加工介质时激光光强在焦点处呈三维空间分布,双光子吸收过程仅产生在具有足够激光强度的微小区域,通过控制激光光强可以调节双光子吸收的产生范围,在适当的激光强度时,可以突破光学衍射极限的限制,将双光子吸收过程控制到远小于激光波长甚至纳米尺度范围,从而达到进行纳米加工的目的。飞秒激光双光子微纳加工技术具有真三维、一次成型及高加工分辨率的特点,是三维微纳结构制备的理想工具之一。通过“理论计算-计算机辅助图形设计-微纳激光制造“这样一个简单的流程可以实现制备可设计的复杂三维微细结构,因此在光子学微器件、微机电系统等领域具有巨大的应用前景。最近几年双光子微细加工技术也已成功地应用到功能性光子学器件中。在制备基于光子晶体带隙原理的三维光子元器件及其立体集成方面,飞秒激光双光子方法具有无可比拟的优势。我们研究小组利用碳硅烷树状大分子修饰的激光染料与光聚合制备的光固化树脂,采用双光子聚合微加工技术制...     

非晶无序光子晶体结构色机理及其应用

结构色是一种由光学尺度的微纳结构与光相互作用形成干涉、衍射或散射而产生颜色的物理生色效应。与化学生色不同,结构色由于没有色素或者染料的参与,因此没有颜色褪色的现象,同时能够避免使用染料和色素带来的环境污染。目前结构色材料受到研究者和应用开发人员的广泛关注,大量的研究发现结构色可以来源于光子晶体与非晶光子晶体两种结构。光子晶体由规整的周期性结构组成,产生的颜色鲜艳却具有明显的角度依赖性。而非晶光子晶体,其"自身缺陷"导致的短程有序结构具备了各向同性的光子带隙、非虹彩效应、光局域化等特点,赋予了材料柔和亮丽不随角度变化的显色效果,可控的激光效应以及优良的发光效率,从而更能满足材料领域对光散射和光传输等方面的特殊需求。对非晶光子晶体的概念和结构,与可见光作用产生颜色的原理,以及制备非晶光子晶体的不同方法(平板刻蚀法、胶体颗粒自组装法、模板法、相分离法)做了详细的讨论,并对非晶光子晶体产生的结构色效应在光电器件、功能涂料和纺织材料等多个领域中的应用进行了展望。     

基于柔性压克力基底的远红外与激光兼容光子晶体薄膜的制备

目前光子晶体薄膜主要镀制在硬性基底上,但是要将其应用到军事装备上,就必须在柔性材料上镀制光子晶体.采用薄膜光学理论中的特征矩阵法计算了所设计的光子晶体薄膜的反射光谱.利用镀膜法在柔性材料压克力上制备了光子晶体薄膜,同时进行了光谱曲线的测试.测试结果表明,在柔性基底上制备的光子晶体可以实现远红外与10.6μm激光兼容.     

飞秒激光加工微纳光学器件

光学器件正在向着小型化、集成化以及柔性可变形等方向发展，基于集成微纳光学器件的光学系统以其较低的功耗、快速的响应时间以及高信息容量等优势脱颖而出。然而目前的高精度微纳加工手段如聚焦离子束(focused ion beam,FIB)刻蚀、半导体光刻等工艺复杂，且缺乏灵活性。飞秒激光作为一种非接触、高精度、高脉冲强度的“冷”加工工具在微纳加工方面受到格外青睐。本文首先阐述了飞秒激光加工微纳光学器件的背景及相关机理，然后讨论了提高飞秒激光加工分辨率的各种方法，接着综述了基于飞秒激光的多种先进加工手段，其后总结了近年来飞秒激光加工微透镜、光栅、光波导以及光子晶体方面的代表性研究进展。最后，本文概括了飞秒激光加工微纳光学器件研究领域所面临的挑战以及未来发展方向。     

用差频腔产生覆盖633nm光谱的飞秒激光频率梳

飞秒激光频率梳被认为是连接光频和无线电频率的一个超精密齿轮,比较了自参考法锁相稳频飞秒激光频率梳和差频法单块结构飞秒激光频率梳的特点,前者光谱范围宽,但稳定性较差;后者稳定性较好,但光谱范围较窄。在差频腔单块结构飞秒激光频率梳的基础上,通过使用腔外压缩色散补偿方式压缩激光脉冲宽度,然后重新注入光子晶体光纤进行光谱扩展,获得了覆盖633nm波长的更宽的光谱范围,为633nm波长激光频率测量创造了条件。     

光子晶体--一种新型人工带隙材料

光子晶体是近十年来才发展起来的存在光子禁带的一种新型人工材料,具有操控光子行为的独特能力,在众多领域有着广泛的用途.介绍了光子晶体的结构特征,分析了光子带隙产生的物理机理,着重介绍了光子晶体材料中存在的新现象及其应用.     

复合结构光子晶体的制备及应用

复合结构纳米粒子具有许多不同于单组分胶体粒子的独特的光、电、磁、催化等物理与化学性质,是构筑光子晶体材料的重要组元.从材料复合的不同形式阐述了复合结构光子晶体的制备方法;列举了光子晶体器件的典型应用.综述了光子晶体的主要用途;并展望了复合结构光子晶体的发展方向.     

飞秒激光双光子聚合三维微纳结构加工技术

飞秒激光双光子聚合微纳加工技术作为重要的三维微纳结构制备手段，已成为国际前沿研究热点。该技术利用激光与物质相互作用的双光子非线性吸收效应和阈值效应，可以突破经典光学理论衍射极限，实现纳米尺度的激光加工分辨力，在三维功能性微纳器件制备领域正在发挥着十分重要的作用。本文在介绍飞秒激光双光子聚合三维微纳加工技术的光物理和光化学过程基本原理的基础上，重点回顾人们在改善加工线宽及分辨力、提高加工效率等方面的研究进展与发展概况。该技术所制备的各种微光学器件、集成光学器件、微机电系统以及生物医学器件，不仅充分展示了飞秒激光双光子聚合三维微纳加工技术的高空间分辨力和真三维加工特点，也为其在相关前沿领域的应用提供具有启发性的思路。最后，对该技术实现高精度、高效率、低成本、大面积、多功能的三维微纳结构加工所存在的挑战和未来发展方向，进行了讨论和展望。     

飞秒激光烧蚀材料表面产生纳米波纹结构的实验

利用飞秒脉冲激光烧蚀可以获得远小于激光中心波长（775nm）量级的周期条纹．通过多脉冲飞秒激光烧蚀Ni、Al、Cu、Ti和Si等材料表面的实验,得到材料表面产生光栅的周期均小于飞秒激光中心波长;采用对比实验,改变入射光的偏振特性,发现波纹周期方向随入射光偏振方向的改变而改变;不改变激光偏振态、脉冲能量为4．2J／cm^2时,沿波纹周期走向,发现平台移动速度为0．1mm／s时,可获得清晰的551nm的金属周期结构;最后应用上述实验结果,在铜片表面制备了长为几十微米、周期为551nm的微纳光栅结构。     

Floating tip nanolithography

We demonstrate noncontact, high quality surface modification of soft and hard materials with spatial resolution of approximately 20 nm. The nanowriting is based on the interaction between the surface and the tip of a standard atomic force microscope illuminated by a focused femtosecond laser beam and hovering (at ambient conditions) 1-4 nanometers above the surface without touching it. Field enhancement at the tip-sample gap or high tip temperature are identified as the causes of material ablation.     

Femtosecond laser speckles

The concept of femtosecond laser speckles is put forward. The theory of a speckle pattern in light of finite bandwidth is applied to describe femtosecond laser speckles. Basic representations of the contrast and the spectral correlation of femtosecond laser speckles are presented. The relationship between the speckle contrast and the bandwidth of a femtosecond laser is given. Experimental results are given that indicate an obvious difference between the speckle patterns produced by a continuous-wave laser and those produced by a femtosecond laser.     

仿生超滑表面的飞秒激光微纳制造及应用

仿猪笼草的超滑表面由于可以抵抗多种液体的粘附,具有优异的稳定性与自修复性,受到越来越广泛的关注.而飞秒激光由于其对加工材料的普适性、高精度,以及高可控性,成为仿生超滑表面制备的有力手段.本文以仿猪笼草的超滑表面为背景,以飞秒激光微加工技术为手段.从超滑表面的飞秒激光微纳制备和应用两个方面,概述了超滑表面的微纳制造和应用...     

Femtosecond laser pulse propagation in a uniaxial crystal

Abstract

The wave equation describing the vector propagation of a femtosecond laser pulse of a few optical cycles in a uniaxial crystal is solved numerically by the method of unidirectional waves. Propagation of the pulse in the direction normal to the optical axis is studied, taking into account both second- and third-order nonlinearities of the crystal. Conversion efficiency as a function of crystal length, pump intensity and pulse duration is studied. As an example, the propagation of femtosecond laser pulse of τ = 10 fs duration at λ = 810 nm in a LiNbO₃ crystal 12 μm thick is studied numerically.     

Multimodal coherent anti-Stokes Raman spectroscopic imaging with a fiber optical parametric oscillator

We report on multimodal coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) imaging with a source composed of a femtosecond fiber laser and a photonic crystal fiber (PCF)-based optical parametric oscillator (FOPO). By switching between two PCFs with different zero dispersion wavelengths, a tunable signal beam from the FOPO covering the range from 840 to 930 nm was produced. By combining the femtosecond fiber laser and the FOPO output, simultaneous CARS imaging of a myelin sheath and two-photon excitation fluorescence imaging of a labeled axons in rat spinal cord have been demonstrated at the speed of 20 μs per pixel.     

高频超短脉冲激光诱导玻璃内LiNbO3晶体生长

使用聚焦的800nm，120fs，200kHz的高频超短脉冲激光在Li20-Nb20s-SiO2系玻璃内部空间选择性析出了LiNbO3晶体．经一定条件的飞秒激光照射数秒钟后，玻璃内部激光会聚点的发光由原来的白色转变为强的蓝绿色．发光光谱测定表明，所产生韵蓝绿光为飞秒激光的倍频光．显微拉曼光谱测定表明，飞秒激光会聚处析出了LiNbO3晶体。     

飞秒激光诱导玻璃内Ba2TiSi2O8晶体的析出

使用聚焦后的800nm,150fs,250kHz的高重复频率飞秒脉冲激光器能够在BaO-TiO₂-SiO₂组分的玻璃内部三维选择性地诱导Ba₂TiSi₂O₈晶体的析出. 发光光谱显示这种晶体把入射的800nm光转化成了400nm的蓝光,因此这种析出的晶体具有非线性倍频特性. 通过拉曼光谱测定,在当前的玻璃组分中析出的晶体是Ba₂TiSi₂O₈. 研究表明,经250kHz的飞秒激光辐照一段时间后,在玻璃内部由于脉冲能量的连续沉积会使得激光辐照区域出现热积累效应,因此,该辐照区域的温度会不断升高以致超过玻璃析晶温度,最终诱导玻璃熔融析晶. 此外,对飞秒激光辐照区域不同部位进行拉曼光谱检测,结果表明：在整个区域Ba₂TiSi₂O₈晶体的析出呈现中间比外围明显的分布特点,因此晶体析出与辐照形成的温度梯度场有密切关系.